謝偉 李琦芬 高迪 桂雄威

上海電力學(xué)院

0 引言

全球能源的多元化、低碳化、智能化、定制個性化將是未來能源科技革命發(fā)展并完善的方向。藉由能源科技創(chuàng)新引領(lǐng)，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)場景革命下的真正意義上清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，必將成為下一代能源技術(shù)發(fā)展目標(biāo)。本文將重點(diǎn)梳理中國多種能源形態(tài)的探索、多視角評述能源互聯(lián)網(wǎng)概念，并提出能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和前瞻性技術(shù)分析，闡述上海能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)實(shí)踐和展望。

1 國外能源互聯(lián)網(wǎng)的源起

21世紀(jì)以來，隨著新能源和信息技術(shù)的發(fā)展，以及能源體制變革，美國、德國、日本等國陸續(xù)提出能源互聯(lián)網(wǎng)或類似的概念和行動計(jì)劃，主要有兩類理解方向。美國以FREEDM為代表較早提出能源互聯(lián)網(wǎng)，其內(nèi)涵最初與智能電網(wǎng)部分內(nèi)容建設(shè)相輔相成。德國于2008年在智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)上選擇了6個試點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行為期4年的E-Energy技術(shù)創(chuàng)新促進(jìn)計(jì)劃，成為實(shí)踐能源互聯(lián)網(wǎng)最早的國家。

美國以FREEDM為代表。2007年美國北卡羅來納州立大學(xué)的Alex Huang（黃勤）教授提出了能源互聯(lián)網(wǎng)（Energy Internet）概念。FREEDM項(xiàng)目提出了能源路由器的概念，并進(jìn)行了原型實(shí)現(xiàn)。FREEDM項(xiàng)目利用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)對變壓器的控制，路由器之間利用通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對等交互[1-2]。2012年7月，美國能源部下屬新能源國家實(shí)驗(yàn)室（NREL）提出能源系統(tǒng)整合概念（Energy Systems Integration）：完成各系統(tǒng)間的高效互聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的最大化[3]。早在2008年的硅谷，ET+IT（能源技術(shù)+信息技術(shù)）的概念稱之為Smart Grid（智能電網(wǎng))[4]。

德國能源互聯(lián)網(wǎng)以E-Energy為代表[5]。2008年開始推動的“E-Energy”能源互聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目，在六個城市試點(diǎn)不同側(cè)重的智能電網(wǎng)示范項(xiàng)目，以最先進(jìn)的調(diào)控手段來應(yīng)付日益增多的分布式電源和各種復(fù)雜的用戶終端負(fù)荷。E-Energy項(xiàng)目認(rèn)為能源互聯(lián)網(wǎng)依然是信息互聯(lián)網(wǎng)[6]。

隨后，日本提出數(shù)字電網(wǎng)(digital grid)概念[7]，其出發(fā)點(diǎn)是為了減少大面積的連鎖故障和實(shí)現(xiàn)高滲透可再生能源的消納，核心是將同步電網(wǎng)分為幾個異步的子電網(wǎng)。子電網(wǎng)之間通過數(shù)字電網(wǎng)路由器連接，通過數(shù)字電網(wǎng)控制器直接調(diào)控潮流，使子電網(wǎng)內(nèi)的可再生能源不會影響大電網(wǎng)[8]。

此外，隨著歐美國家電力市場的不斷放開和能源價(jià)格的攀升，IT技術(shù)尤其是移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，“能源互聯(lián)網(wǎng)”在不少國家形成了一個新的創(chuàng)業(yè)生態(tài)圈。

2 中國能源互聯(lián)網(wǎng)的模式探索

2.1 中國多種能源形態(tài)的探索

熱電聯(lián)產(chǎn)作為分布式能源在中國的雛形，早在2004年《國家發(fā)展改革委關(guān)于分布式能源系統(tǒng)有關(guān)問題的報(bào)告》中，就對分布式能源的概念、特征、發(fā)展重點(diǎn)等作了較為詳細(xì)的描述[9]。報(bào)告指出，分布式能源即是利用小型設(shè)備向用戶提供能源供應(yīng)的新能源利用方式[10]；蔡睿賢院士在文獻(xiàn)[11]中提出分布式能源系統(tǒng)是相對于能源集中生產(chǎn)（主要代表形式是大電廠加大電網(wǎng)）而言的，把二次能源供能點(diǎn)分散到用戶側(cè)；徐建中院士在文獻(xiàn)[12]中指出，分布式能源是靠近用戶側(cè)，由不同模塊化設(shè)備組成的提供多種形式能源的供應(yīng)系統(tǒng)[12]。近年，在分布式能源項(xiàng)目廣泛開展的同時(shí)，多能互補(bǔ)概念也引起了學(xué)術(shù)界的提倡和重視。政府在發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見》中指出，多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程主要有兩種模式[13]。

微電網(wǎng)是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行[14-15]。王成山教授在文獻(xiàn)[14-16]中對微電網(wǎng)在大規(guī)模接入分布式發(fā)電系統(tǒng)時(shí)所起的作用進(jìn)行了深入的研究。ICT(Information and Communication Tech-nology)領(lǐng)域的大量變革創(chuàng)新[17]，為能源領(lǐng)域的提升和發(fā)展提供了技術(shù)支持。

在分布式能源和微電網(wǎng)快速發(fā)展后，能源領(lǐng)域相繼出現(xiàn)智能電網(wǎng)(Smart Grid)[18-19]、綜合能源(Integrated Energy System)和能源互聯(lián)網(wǎng)(Energy Internet)[10]三種重要理念和技術(shù)，其目的都是實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好和能源可持續(xù)供應(yīng)的目標(biāo)[21]。

貽鑫院士在文獻(xiàn)[28]中提出，智能電網(wǎng)是指一個完全自動化的供電網(wǎng)絡(luò)[22]；國家電網(wǎng)公司提出“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”概念和建設(shè)規(guī)劃23]。

綜合能源系統(tǒng)被認(rèn)為是未來人類社會能源的主要承載形式[24]。我國賈宏杰教授在文獻(xiàn)[25]中，對適合中國國情的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并在文獻(xiàn)[26]中給出了綜合能源系統(tǒng)的定義。新奧集團(tuán)提出泛能網(wǎng)，可視為利用泛在網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對能源系統(tǒng)進(jìn)行改造的一種嘗試[26-27]。協(xié)鑫集團(tuán)在2014年提出“六位一體”分布式微能源網(wǎng)的概念[28]。

能源互聯(lián)網(wǎng)的概念最早見于美國學(xué)者杰里米·里夫金的著作《第三次工業(yè)革命》[29]。隨后能源互聯(lián)網(wǎng)理念不斷地得以豐富和實(shí)踐（如圖1）。

圖1 多種能源形態(tài)的關(guān)系圖

2.2 能源互聯(lián)網(wǎng)的多維度分析

能源互聯(lián)網(wǎng)概念被我國產(chǎn)業(yè)界熟知與接受，源起于美國未來學(xué)家里夫金的《第三次工業(yè)革命》，其提出的融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和可再生能源技術(shù)構(gòu)建新型能源供需架構(gòu)的思路，指明了能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)研究的方向。與此同時(shí)，我國國務(wù)院正式提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動，其概念成為“互聯(lián)網(wǎng)+能源”傳統(tǒng)行業(yè)的商業(yè)生態(tài)探索的助力，順應(yīng)了傳統(tǒng)企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的需求，能源互聯(lián)網(wǎng)在中國得以迅速發(fā)展[35]（見表1）。

2.3 能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)與技術(shù)分析

本文建立能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)架構(gòu)（如圖2），大致分為硬件能源層、軟件信息層和金融價(jià)值層三個層級。其中，硬件能源層是多能流的綜合能源系統(tǒng)，是物理基礎(chǔ)；軟件信息層是以IEMS為代表的綜合能源管理系統(tǒng)，是執(zhí)行路徑；金融價(jià)值層是以能源互聯(lián)網(wǎng)金融為主的能源運(yùn)營模式，是價(jià)值實(shí)現(xiàn)。能源互聯(lián)網(wǎng)的這三個層級相輔相成、實(shí)現(xiàn)能源流、信息流、價(jià)值流的滲透與融合，共同推動能源系統(tǒng)的快速發(fā)展。

3 中國能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐

近年來，上海為能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源技術(shù)創(chuàng)新做了部分嘗試。（見表2）

上述的天然氣分布式供能及多種能源形態(tài)的探索可看作上海能源互聯(lián)網(wǎng)能源技術(shù)層面的前期實(shí)踐?，F(xiàn)狀表明，能源互聯(lián)網(wǎng)的能源技術(shù)層面已有較完備的技術(shù)要素，但能源互聯(lián)網(wǎng)的整體發(fā)展還未實(shí)現(xiàn)質(zhì)的改變，前期技術(shù)的探索儲備依然值得肯定，各傳統(tǒng)單體能源應(yīng)用模式即將形成合力轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉淳W(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用模式，這將有助于進(jìn)一步探索能源互聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目積累經(jīng)驗(yàn)。

表1 智能電網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)的對比

表2 能源互聯(lián)網(wǎng)多維度橫向梳理

圖2 能源互聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)

表3 上海市能源事記簡表

4 展望和總結(jié)

能源互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)和創(chuàng)新前沿。近年來，能源互聯(lián)網(wǎng)的提出和發(fā)展體現(xiàn)了深刻的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會、技術(shù)和政策等諸多驅(qū)動力的背景訴求。發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)將從根本上改變對傳統(tǒng)能源利用模式的依賴，推動傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)向以可再生能源和信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的新興產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變，是對人類社會生活方式的一次根本性革命。

本文對能源互聯(lián)網(wǎng)在國外、國內(nèi)的發(fā)展做出總結(jié)梳理，并已上海為例，介紹能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與建設(shè)實(shí)踐（見表3）。目前，很多項(xiàng)目已進(jìn)入工程落地階段，示范試點(diǎn)遍地開花，理念探索不斷地付諸于實(shí)踐，相信能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將極大地提升人民的生活品質(zhì)。